《模拟电子技术》课程教学资源（PPT课件讲稿）第一章 半导体基本器件及应用电路（1.1-1.3）§1.1 半导体材料及导电特性 §1.2 PN结原理 §1.3 晶体二极管及应用

第一章半导体基本器件及应用电路 §1.1半导体材料及导电特性 §12PN结原理 §13晶体二极管及应用 §14双极型晶体管 返回

第一章 半导体基本器件及应用电路 §1.1 半导体材料及导电特性 §1.2 PN结原理 §1.4 双极型晶体管 §1.3 晶体二极管及应用 返回

1.1半导体材料及导电特性 引言 1.1.1本征半导体 1。1.2杂质半导体 1.13漂移电流与扩散电流 返回

1.1半导体材料及导电特性 1.1 .1 本征半导体 1. 1 . 2 杂质半导体 1. 1 . 3 漂移电流与扩散电流 引言 返回

1半导体材料及导电特性 引言: 1.什么是半导体:电阻率p介于导体和绝缘体之间 固体按导电性能上可分为三类: 导体:p10292cm如:云母、陶瓷 半导体:p=10-3~10°2Cm 如:硅S( Silicon) p=10392cm Wa Ge(Germanium) p=4.71092cm 砷化镓GaAs p=1092cm 2.注意p的单位:sCm 定义:p=R=Cm J2●cn c 3.半导体具有其它特性: 对p影响较大的因素:杂质,温度,光照 返回

引言： １． 什么是半导体：电阻率 ρ 介于导体和绝缘体之间 固体按导电性能上可分为三类： 导体： ρ＜10－4 Ω . cm 如：金、银、铜、铝 绝缘体： ρ＞1012Ω . cm 如：云母、陶瓷 半导体: ρ=10－3 ~109 Ω 。 Cm 如： 硅 Si(Silicon) ρ=105 Ω . cm 锗 Ge(Germanium) ρ=4.7103 Ω . cm 砷化镓 GaAs ρ=109 Ω . cm 2 . 注意 ρ 的单位：Ω 。 Cm 定义： cm cm cm l A R 2  = =  =  • 3 . 半导体具有其它特性： 对 ρ 影响较大的因素：杂质 ，温度，光照 1.1半导体材料及导电特性 返回

1.11本征半导体 定义没有杂质、纯净的单晶体称为本征半导体 ()本征半导体的共价键结构 1si、Ge原子结构模型 si(14)和Ge(32因外 层都有4个价电子,由 于外层价电子受原子核 +l4 的束缚力小,许多物理 现象是由外层价电子数 价电孑 决定,为了更方便研究 价电子的作用常把原子 +4 惯性接。 核和内层电子看作一个 整体称为惯性核。 返回

1.1 .1 本征半导体 定义:没有杂质、纯净的单晶体称为本征半导体. (一)本征半导体的共价键结构 1 S i 、G e 原子结构模型 + 14 + 32 + 4 + 4 惯性核 S i(14)和 G e(32)因外 层都有 4 个价电子，由 于外层价电子受原子核 的束缚力小，许多物理 现象是由外层价电子数 决定，为了更方便研究 价电子的作用常把原子 核和内层电子看作一个 整体,称为惯性核。 价电子 返回

1.1.1本征半导体( intrinsic semiconductor) 在si或Ge单晶体中,价电子处于束 缚状态,其能量较低,处于较低的能带称为a+4)+(+ 价带。而自由电子处较高的能带称为导带 由于价电子至少要获得E的能量才能挣脱共。+4)(+04 价键的束缚成为自由电子,因此自由电子所 占有的最低能级要比价电子可能占有的最高_++a 能级高出E于是s(或Ge)晶体中的 能量分布中有一段间隙不可能被电子所占 电子能量 有。其宽度为匡。,称为禁带宽度, E。一般与半导体材料和温度T有关: 一兽霧 T=0k(273.16°c)时 T=300k(室温) °Eg禁带 Ego (si)=1.21 ev Easi=1.12ev Ego(Ge)=0.785 ev E(G。)=0.72e 。份带一 返回

2 共价键结构 1.1 .1 本征半导体（intrinsic semiconductor） 当 S i（或 G e）原子组成单晶体后，各 原子之间有序、整齐的排列在一起，原子之间 靠得很近，价电子不仅受本原子的作用，还要 受相邻原子的作用， 量子力学证明：原子中电子具有的能量 状态是离散的，量子化的，每一个能量状态 对应于一个能级，一系列能级形成能带。 根据原子的理论：原子外层电子有 8 个才 能处于稳定状态。 因此 S i（或 G e）单晶体每个原子都从四周 相邻原子得到 4 个价电子才能组成稳定状态。即 每一个价电子为相邻原子核所共有，每相邻两个 原子都共用一对价电子。形成共价键结构。 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 在 S i 或 G e 单晶体中，价电子处于束 缚状态，其能量较低，处于较低的能带称为 价带。而自由电子处较高的能带称为导带。 由于价电子至少要获得 E g 的能量才能挣脱共 价键的束缚成为自由电子，因此自由电子所 占有的最低能级要比价电子可能占有的最高 能级高出 E g。于是 S i（或 G e）晶体中的 能量分布中有一段间隙不可能被电子所占 有。其宽度为 E g，称为禁带宽度。 E g一般与半导体材料和温度 T 有关： T=0k (-273.160 c) 时， T=300k （室温） Eg0 (Si)=1.21 ev E g(S i)=1.12ev Eg0 (Ge)=0.785 ev E g(G e)=0.72e 电子能量 Eg 禁带 导带 价带 返回

(二)本征激发和两种载流子 ②在常温下本征半导体内有两种载流子: 载流子:物体内运载电荷的粒子,决定于物体的。+(+Q(+ 导电能力。 自由电子载流子:带单位负电 +4)◎(+4◎+ 空穴载流子:带单位正电 °°°° 在外电场作用下电子、空穴运动方向相反,对a+(+44 电流的贡献是迭加的。 注意: 电子能量 ①在本征激发(或热激发)中,电子、空穴成对产生 a:空穴带正电量 导荐 b:空穴是半导体中所特有的带单位 空穴:正电荷的粒子,与电子电量相等 符号相反 C:空穴在价带内运动,也是一种载 流子。在外电场作用下可在晶体内 价带 定向移动 返回

１ T=0k 且无外界其它能量激发时，Eg0 较大， 价电子全部束缚在共价键中，导带中无自由 电子。（此时的本征半导体相当与绝缘体） 2 本征激发： T↑（or 光照） 价电子获得能量 跃迁导带 自由电子~位 于导 带 空穴 ~位于价带 E g + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 （二）本征激发和两种载流子 电子能量 Eg 禁带 导带 价带 注意： ①在本征激发（或热激发）中，电子、空穴成对产生 a:空穴带正电量 b：空穴是半导体中所特有的带单位 正电荷的粒子，与电子电量相等， 符号相反 c：空穴在价带内运动，也是一种载 流子。在外电场作用下可在晶体内 定向移动 空穴： 载流子：物体内运载电荷的粒子，决定于物体的 导电能力。 自由电子载流子：带单位负电 空穴载流子 ：带单位正电 在外电场作用下电子、空穴运动方向相反，对 电流的贡献是迭加的。 ②在常温下本征半导体内有两种载流子： 返回

(三)本征载流子( intrinsic carrier)浓度 由上式:T↑→norp)↑→导电能力↑可制作热敏元件 影响半导体器件的稳定性 另外光照→n(orp)↑→导电能力↑→可制作光电器件 若设n为电子浓度,p为空穴浓度 本征载流子浓度:n=P=AT32exp(Ep2kT 其中:A为常数,与半导体材料有关: si:A=388×10(cm3k2) Ge:A=176×101°(cm3k2 k为玻耳兹曼常数k=138×102Jk) T=300k(室温)Si:n;=p1~15×1019cm3 Ge:n=p≈~24×1013cm 返回

（三）本征载流子（intrinsic carrier）浓度 本征激发 电子 空穴 E g 1 电子 空穴 随机碰撞 复合 2 （自由电子释放能量）电子空穴对消失 3 本征激发 动态平衡 复合 是电子空穴对的两种矛盾运动形式。 在本征半导体中电子和空穴的浓度总是相等的 若设ni为电子浓度，pi为空穴浓度 本征载流子浓度：ni =pi =Ao T 3/2exp(-Eg0/2kT) 其中：Ao为常数，与半导体材料有关： Si: Ao =3.88×1016(cm-3.k-2/3) Ge: Ao =1.76×1016(cm-3.k-2/3) k 为玻耳兹曼常数 k=1.38×10-23(J. k -1) 当 T=300k（室温） Si: ni =pi≈1.5×1010/cm3 Ge: ni =pi≈2.4×1013/cm 由上式： T↑→ni (or pi )↑→导电能力↑ 可制作热敏元件 影响半导体器件的稳定性 另外 光照→ni (orpi ) ↑→导电能力 ↑→ 可制作光电器件 返回

1.1.2杂质半导体( donor and acceptor impurities 实际上,制造半导体器件的材料并不是本征半导体,而是人为地掺入 定杂质成份的半导体 什么是杂质半导体:人为地掺入一定杂质成份的半导体 2为什么要掺杂:提高半导体的导电能力 例如:S本征半导体(T=300k): n=P=1.5X1010/cm3 3.3X1012分之 原子密度496X102cm3 故:本征半导体的导电能力很弱。 在本征半导体中掺入不同种类的杂质可以改变半导体中两 种载流子的浓度。 根据掺入杂质的种类可分为: N型半导体(掺入5价元素杂质) P型半导体(掺入3价元素杂质) 返回

1. 1 . 2 杂质半导体（donor and acceptor impurities） 实际上，制造半导体器件的材料并不是本征半导体，而是人为地掺入一 定杂质成份的半导体 1 什么是杂质半导体：人为地掺入一定杂质成份的半导体 2 为什么要掺杂：提高半导体的导电能力 例如：Si 本征半导体（T＝300k）： ni =pi =1.5X1010／cm3 原子密度 4.96X1022/cm3 3.3X1012分之一 故：本征半导体的导电能力很弱。 3 在本征半导体中掺入不同种类的杂质可以改变半导体中两 种载流子的浓度。 根据掺入杂质的种类可分为： N 型半导体 （掺入 5 价元素杂质） P 型半导体 （掺入 3 价元素杂质） 返回

(一)N型半导体( N Type semiconductor) 在N型半导体中: Q+4a+4Q(+4Q 自由电子→多数载流子(多子)。且多数载流子浓度>>n 空穴→少数载流子(少子)。少数载流子浓度<<p +4)◎Q(+5)◎+4 N型杂质半导体的特点: Q+4)Qo(+4。Q+4)o 1、与本征激发不同,施主原子在提供多余电子的同时并 不产生空穴,而成为正离子被束缚在晶格结构中,不能自由 电子能量 移动,不起导电作用。 2、在室温下,多余电子全部被激发为自由电子,故N型 半导体中自由电子数目很高(浓度大),主要靠电子导电。 称为电子半导体。 施主能级999Eg禁带 3、在N型半导体中同样也有本征激发产生的电子空 穴对,但数量很小,自由电子浓度远大于空穴浓度。 价带 返回

（一）N型半导体（N Type semiconductor） + 4 + 4 + 4 + 4 + 5 + 4 + 4 + 4 + 4 在本征半导体中掺入 5 价元素的杂质 （砷、磷、锑）就成为 N 型杂质半 导体。 杂质原子→能提供多余电子→称为施主杂质 →多余电子→位于施主能级 （进入导带）成为自由电子 室温 T=300k 电子能量 Eg禁带 导带 价带 施主能级 + + + N 型杂质半导体的特点： 1、 与本征激发不同，施主原子在提供多余电子的同时并 不产生空穴，而成为正离子被束缚在晶格结构中，不能自由 移动，不起导电作用。 2、在室温下，多余电子全部被激发为自由电子，故 N 型 半导体中自由电子数目很高（浓度大）,主要靠电子导电。 称为电子半导体。 3、在 N 型半导体中同样也有本征激发产生的电子空 穴对，但数量很小，自由电子浓度远大于空穴浓度。 + 在 N 型半导体中： 自由电子→多数载流子（多子）。且多数载流子浓度＞＞ni 空穴→少数载流子（少子）。 少数载流子浓度＜＜pi +5 返回

(二)P型半导体( P type semiconductor 2在室温下3价受主原子产生的空位全部可被激发为价 带中的空穴,故P型半导体中空穴数很高,主要靠空穴。)a(+a+a 导电。称为空穴半导体 3P型半导体中也有本征激发而产生电子空穴对,但由 于复合作用,电子数目很小,空穴的浓度远大于电子浓度。·④+ P型半导体:多子一空穴且多子浓度>>p ● 少子→电子 少子浓度<<n1 4)Q+4)QQ+4)Q二 激发产生的空穴一样可以自由运动。对半导体的导电有贡献 电子能量 杂质产生(空位)→受主能级接受 在价带中形成空穴→晶格中留下负离子 P型半导体的特点:电子 导带 1、与本征激发不同。受主原子接受电子在 价带中产生一个空穴,但并不在导带中产受主纸 E禁带 生电子,而在晶格中留下一个负离子。负 价带 离子不能自由移动,不起导电作用。 返回

（二）P型半导体（P type semiconductor） 电子能量 Eg禁带 导带 价带 受主能级 - - - 在本征半导体中掺入 3 价元素（如 B 硼）， 就成为 P 型半导体。 3 价杂质原子→接受电子→负离子→受主杂质（acceptor impurity） →（受主原子）→位于受主能级 产生空位（位于价带） 室温 T=300k 带负电离子与带正电空穴间有吸引力，即空穴是受束缚 的，只能在负离子附近活动。但只要赋予它一定的能量， 它挣脱束缚运动到远离负离子的地方，该空穴就和本征 激发产生的空穴一样可以自由运动。对半导体的导电有贡献。 杂质产生（空位）→受主能级 在价带中形成空穴→晶格中留下负离子 接受 电子 P型半导体的特点： 1、 与本征激发不同。受主原子接受电子在 价带中产生一个空穴，但并不在导带中产 生电子，而在晶格中留下一个负离子。负 离子不能自由移动，不起导电作用。 2 在室温下 3 价受主原子产生的空位全部可被激发为价 带中的空穴，故 P 型半导体中空穴数很高，主要靠空穴 导电。称为空穴半导体。 + 4 + 4 + 4 + 4 + 3 + 4 + 4 + 4 + 4 - 3 P 型半导体中也有本征激发而产生电子空穴对，但由 于复合作用，电子数目很小，空穴的浓度远大于电子浓度。 P 型半导体： 多子 →空穴 且：多子浓度＞＞pi 少子 →电子 少子浓度＜＜ni 返回